Bài giảng Các phần tử của hệ thống điều khiển bằng thủy lực

Ch−ơng 3: các phần tử của hệ thống điều khiển bằng thủy lực 3.1. khái niệm 3.1.1. Hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển bằng thủy lực đ−ợc mô tả qua sơ đồ hình 3.1, gồm các cụm và phần tử chính, có chức năng sau: a. Cơ cấu tạo năng l−ợng: bơm dầu, bộ lọc (...) b. Phần tử nhận tín hiệu: các loại nút ấn (...) c. Phần tử xử lý: van áp suất, van điều khiển từ xa (...) d. Phần tử điều khiển: van đảo chiều (...) e. Cơ cấu chấp hành: xilanh, động cơ dầu. Hình 3.1. Hệ thống điều khiển bằng thủy lực Phần tử nhận tín hiệu Phần tử xử lý Cơ cấu chấp hành Phần tử điều khiển Cơ cấu tạo năng l−ợngNăng l−ợng điều khiển Dòng năng l−ợng tác động lên quy trình 3.1.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều bằng thủy lực Cấu trúc hệ thống điều khiển bằng thủy lực đ−ợc thể hiện ở sơ đồ hình 3.2. T Cơ cấu chấp hành Phần tử điều khiển Cơ cấu tạo năng l−ợng Dòng năng l−ợng 1.0 0.1 1.1 0.2 0.3 P P T A B Hình 3.2. Cấu trúc thống điều khiển bằng thủy lực m 41 3.2. van áp suất 3.2.1. Nhiệm vụ Van áp suất dùng để điều chỉnh áp suất, tức là cố định hoặc tăng, giảm trị số áp trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực. 3.2.2. Phân loại Van áp suất gồm có các loại sau: +/ Van tràn và van an toàn +/ Van giảm áp +/ Van cản +/ Van đóng, mở cho bình trích chứa thủy lực. 3.2.2.1. Van tràn và an toàn Van tràn và van an toàn dùng để hạn chế việc tăng áp suất chất lỏng trong hệ thống thủy lực v−ợt quá trị số quy định. Van tràn làm việc th−ờng xuyên, còn van an toàn làm việc khi quá tải. p2 p1Ký hiệu của van tràn và van an toàn: Có nhiều loại: +/ Kiểu van bi (trụ, cầu) +/ Kiểu con tr−ợt (pittông) +/ Van điều chỉnh hai cấp áp suất (phối hợp) a. Kiểu van bi p1 p2 Lò xo (độ cứng C) Bi trụ Vít đ/c p2 p1 x x0 Vít đ/c Lò xo (độ cứng C) Bi cầu x x0 Hình 3.3. Kết cấu kiểu van bi Giải thích: khi áp suất p1 do bơm dầu tạo nên v−ợt quá mức điều chỉnh, nó sẽ thắng lực lò xo, van mở cửa và đ−a dầu về bể. Để điều chỉnh áp suất cần thiết nhờ vít điều chỉnh ở phía trên. Ta có: p1.A = C.(x + x0) (bỏ qua ma sát, lực quán tính, p2 ≈ 0) Trong đó: x0 - biến dạng của lò xo tạo lực căng ban đầu; C - độ cứng lò xo; 42 F0 = C.x0 - lực căng ban đầu; x - biến dạng lò xo khi làm việc (khi có dầu tràn); p1 - áp suất làm việc của hệ thống; A - diện tích tác động của bi. Kiểu van bi có kết cấu đơn giản nh−ng có nh−ợc điểm: không dùng đ−ợc ở áp suất cao, làm việc ồn ào. Khi lò xo hỏng, dầu lập tức chảy về bể làm cho áp suất trong hệ thống giảm đột ngột. b. Kiểu van con tr−ợt Vít đ/c 3 A 2 1 x Flx 4 Lỗ giảm chấn p1 p2 C x0 x Hình 3.4. Kết cấu kiểu van con tr−ợt Giải thích: Dầu vào cửa 1, qua lỗ giảm chấn và vào buồng 3. Nếu nh− lực do áp suất dầu tạo nên là F lớn hơn lực điều chỉnh của lò xo Flx và trọng l−ợng G của pittông, thì pittông sẽ dịch chuyển lên trên, dầu sẽ qua cửa 2 về bể. Lỗ 4 dùng để tháo dầu rò ở buồng trên ra ngoài. Ta có: p1.A = Flx (bỏ qua ma sát và trọng l−ợng của pittông) Flx = C.x0 Khi p1 tăng ⇒ F = ⇒ pittông đi lên với dịch chuyển x. lx1 FA.p >∗ ⇒ ( )01 xx.CA.p +=∗ Nghĩa là: p1 ↑ ⇒ pittông đi lên một đoạn x ⇒ dầu ra cửa 2 nhiều ⇒ p1 ↓ để ổn định. Vì tiết diện A không thay đổi, nên áp suất cần điều chỉnh p1 chỉ phụ thuộc vào Flx của lò xo. Loại van này có độ giảm chấn cao hơn loai van bi, nên nó làm việc êm hơn. Nh−ợc điểm của nó là trong tr−ờng hợp l−u l−ợng lớn với áp suất cao, lò xo phải có kích th−ớc lớn, do đó làm tăng kích th−ớc chung của van. c. Van điều chỉnh hai cấp áp suất Trong van này có 2 lò xo: lò xo 1 tác dụng trực tiếp lên bi cầu và với vít điều chỉnh, ta có thể điều chỉnh đ−ợc áp suất cần thiết. Lò xo 2 có tác dụng lên bi trụ (con tr−ợt), là 43 loại lò xo yếu, chỉ có nhiệm vụ thắng lực ma sát của bi trụ. Tiết diện chảy là rãnh hình tam giác. Lỗ tiết l−u có đ−ờng kính từ 0,8 ữ 1 mm. Hình 3.5. Kết cấu của van điều chỉnh hai cấp áp suất Dầu vào van có áp suất p1, phía d−ới và phía trên của con tr−ợt đều có áp suất dầu. Khi áp suất dầu ch−a thắng đ−ợc lực lò xo 1, thì áp suất p1 ở phía d−ới và áp suất p2 ở phía trên con tr−ợt bằng nhau, do đó con tr−ợt đứng yên. Nếu áp suất p1 tăng lên, bi cầu sẽ mở ra, dầu sẽ qua con tr−ợt, lên van bi chảy về bể. Khi dầu chảy, do sức cản của lỗ tiết l−u, nên p1 > p2, tức là một hiệu áp ∆p = p1 - p2 đ−ợc hình thành giữa phía d−ới và phía trên con tr−ợt. (Lúc này cửa 3 vẫn đóng) 31 0 32 0 2112 A.px.Cvàx.Cp.A >> Khi p1 tăng cao thắng lực lò xo 2 ⇒ lúc này cả 2 van đều hoạt động. Loại van này làm việc rất êm, không có chấn động. áp suất có thể điều chỉnh trong phạm vi rất rộng: từ 5 ữ 63 bar hoặc có thể cao hơn. 3.2.2.2. Van giảm áp Trong nhiều tr−ờng hợp hệ thống thủy lực một bơm dầu phải cung cấp năng l−ợng cho nhiều cơ cấu chấp hành có áp suất khác nhau. Lúc này ta phải cho bơm làm việc với áp suất lớn nhất và dùng van giảm áp đặt tr−ớc cơ cấu chấp hành nhằm để giảm áp suất đến một giá trị cần thiết. Ký hiệu: Vít đ/c Lò xo 2 (độ cứng C2) p1 p3 Bi trụ (con tr−ợt) Bi cầu Lò xo 1 (độ cứng C1) A3 A2 1 3 2 Lỗ tiết l−u p2 p1 Van an toàn (làm việc khi quá tải) Van tràn p2 44 Hình 3.6. Kết cấu của van giảm áp Ví dụ: mạch thủy lực có lắp van giảm áp 1 p1 Vít đ/c p1 p2 Flx 2 A A Pp2 p1 Flx L Vít đ/c p1 > p2 Hình 3.7. Sơ đồ mạch thủy lực có lắp van giảm áp Trong hệ thống này, xilanh 1 làm việc với áp suất p1, nhờ van giảm áp tạo nên áp suất p1 > p2 cung cấp cho xilanh 2. áp suất ra p2 có thể điều chỉnh đ−ợc nhờ van giảm áp. Ta có lực cân bằng của van giảm áp: p2.A = Flx (Flx = C.x) ⇒ A x.C p2 = ⇒ A = const, x thay đổi ⇒ p2 thay đổi. 45 3.2.2.3. Van cản Van cản có nhiệm vụ tạo nên một sức cản trong hệ thống ⇒ hệ thống luôn có dầu để bôi trơn, bảo quản thiết bị, thiết bị làm việc êm, giảm va đập. Ký hiệu: p0 Flx p2 A p2 p1 Hình 3.8. Mạch thủy lực có lắp van cản Trên hình 3.8, van cản lắp vào cửa ra của xilanh có áp suất p2. Nếu lực lò xo của van là Flx và tiết diện của pittông trong van là A, thì lực cân bằng tĩnh là: p2.A - Flx =0 ⇒ A F p lx2 = (3.1) Nh− vậy ta thấy rằng áp suất ở cửa ra (tức cản ở cửa ra) có thể điều chỉnh đ−ợc tùy thuộc vào sự điều chỉnh lực lò xo Flx. 3.2.2.4. Rơle áp suất (áp lực) Rơle áp suất th−ờng dùng trong hệ thống thủy lực. Nó đ−ợc dùng nh− một cơ cấu phòng quá tải, vì khi áp suất trong hệ thống v−ợt quá giới hạn nhất định, rơle áp suất sẽ ngắt dòng điện ⇒ Bơm dầu, các van hay các bộ phận khác ng−ng hoạt động. 3.3. van đảo chiều 3.3.1. Nhiệm vụ Van đảo chiều dùng đóng, mở các ống dẫn để khởi động các cơ cấu biến đổi năng l−ợng, dùng để đảo chiều các chuyển động của cơ cấu chấp hành. 3.3.2. Các khái niệm +/ Số cửa: là số lỗ để dẫn dầu vào hay ra. Số cửa của van đảo chiều th−ờng 2, 3 và 4, 5. Trong những tr−ờng hợp đặc biệt số cửa có thể nhiều hơn. 46 +/ Số vị trí: là số định vị con tr−ợt của van. Thông th−ờng van đảo chiều có 2 hoặc 3 vị trí. Trong những tr−ờng hợp đặc biệt số vị trí có thể nhiều hơn. 3.3.3. Nguyên lý làm việc a. Van đảo chiều 2 cửa, 2 vị trí (2/2) LP A A P LA P L Số cửa Số vị trí Hình 3.9. Van đảo chiều 2/2 b. Van đảo chiều 3 cửa, 2 vị trí (3/2) A P T P T a ba AT P a A b P T b A P T A Hình 3.10. Van đảo chiều 3/2 47 c. Van đảo chiều 4 cửa, 2 vị trí (4/2) a b TP ba A P T BA T PP T A B A B TP AB B Hình 3.11. Van đảo chiều 4/2 Ký hiệu: P- cửa nối bơm; T- cửa nối ống xả về thùng dầu; A, B- cửa nối với cơ cấu điều khiển hay cơ cấu chấp hành; L- cửa nối ống dầu thừa về thùng. 3.3.4. Các loại tín hiệu tác động Loại tín hiệu tác động lên van đảo chiều đ−ợc biểu diễn hai phía, bên trái và bên phải của ký hiệu. Có nhiều loại tín hiệu khác nhau có thể tác động làm van đảo chiều thay đổi vị trí làm việc của nòng van đảo chiều. a. Loại tín hiệu tác động bằng tay Ký hiệu nút ấn tổng quát Nút bấm Tay gạt Bàn đạp Hình 3.12. Các ký hiệu cho tín hiệu tác động bằng tay b. Loại tín hiệu tác động bằng cơ Đầu dò 48 Cữ chặn bằng con lăn, tác động hai chiều Hình 3.13. Các ký hiệu cho tín hiệu tác động bằng cơ Cữ chặn bằng con lăn, tác động một chiều Lò xo Nút ấn có rãnh định vị 3.3.5. Các loại mép điều khiển của van đảo chiều Khi nòng van dịch chuyển theo chiều trục, các mép của nó sẽ đóng hoặc mở các cửa trên thân van nối với kênh dẫn dầu. Van đảo chiều có mép điều khiển d−ơng (hình 3.14a), đ−ợc sử dụng trong những kết cấu đảm bảo sự rò dầu rất nhỏ, khi nòng van ở vị trí trung gian hoặc ở vị trí làm việc nào đó, đòng thời độ cứng vững của kết cấu (độ nhạy đối với phụ tải) cao. Van đảo chiều có mép điều khiển âm (hình 3.14b), đối với loại van này có mất mát chất lỏng chảy qua khe thông về thùng chứa, khi nòng van ở vị trí trung gian. Loại van này đ−ợc sử dụng khi không có yêu cầu cao về sự rò chất lỏng, cũng nh− độ cứng vững của hệ. Van đảo chiều có mép điều khiển bằng không (hình 3.14c), đ−ợc sử dụng phần lớn trong các hệ thống điều khiển thủy lực có độ chính xác cao (ví dụ nh− ở van thủy lực tuyến tính hay cơ cấu servo. Công nghệ chế tạo loại van này t−ơng đối khó khăn. a b c Hình 3.14. Các loại mép điều khiển của van đảo chiều a. Mép điều khiển d−ơng; b. Mép điều khiển âm; c. Mép điều khiển bằng không. 3.4. Các loại van điện thủy lực ứng dụng trong mạch điều khiển tự động 3.4.1. Phân loại 49 Có hai loại: +/ Van solenoid +/ Van tỷ lệ và van servo 3.4.2. Công dụng a. Van solenoid Dùng để đóng mở (nh− van phân phối thông th−ờng), điều khiển bằng nam châm điện. Đ−ợc dùng trong các mạch điều khiển logic. b. Van tỷ lệ và van servo Là phối hợp giữa hai loại van phân phối và van tiết l−u (gọi là van đóng, mở nối tiếp), có thể điều khiển đ−ợc vô cấp l−u l−ợng qua van. Đ−ợc dùng trong các mạch điều khiển tự động. 3.4.3. Van solenoid Cấu tạo của van solenoid gồm các bộ phận chính là: loại điều khiển trực tiếp (hình 3.15) gồm có thân van, con tr−ợt và hai nam châm điện; loại điều khiển gián tiếp (hình 3.16) gồm có van sơ cấp 1, cấu tạo van sơ cấp giống van điều khiển trực tiếp và van thứ cấp 2 điều khiển con tr−ợt bằng dầu ép, nhờ tác động của van sơ cấp. Con tr−ợt của van sẽ hoạt động ở hai hoặc ba vị trí tùy theo tác động của nam châm. Có thể gọi van solenoid là loại van điều khiển có cấp. Hình 3.15. Kết cấu và ký hiệu của van solenoid điều khiển trực tiếp 6 5 T A P B P T A B 4 21 3 1, 2. Cuộn dây của nam châm điện; 3, 6. Vít hiệu chỉnh của lõi sắt từ; 4, 5. Lò xo. 50 X T A P B Y BA a 0 b TYXP a.X b.Y a b BA a 0 X ba b YT 8 6 5 4.2 4.1 7 3 2 1 Hình 3.16. Kết cấu và ký hiệu của van solenoid điều khiển gián tiếp 1. Van sơ cấp; 2. Van thứ cấp. 3.5.4. Van tỷ lệ Cấu tạo của van tỷ lệ có gồm ba bộ phận chính (hình 3.17) là : thân van, con tr−ợt, nam châm điện. Để thay đổi tiết diện chảy của van, tức là thay đổi hành trình của con tr−ợt bằng cách thay đổi dòng điện điều khiển nam châm. Có thể điều khiển con tr−ợt ở vị trí bất kỳ trong phạm vi điều chỉnh nên van tỷ lệ có thể gọi là loại van điều khiển vô cấp. 51 ` 13 12 9 8 7 651 2 3 4b a Y X T A P B X Y P T A B b a 11 10 Hình 3.17. Kết cấu và ký hiệu của van tỷ lệ Hình 3.17 là kết cấu của van tỷ lệ, van có hai nam châm 1, 5 bố trí đối xứng, các lò xo 10 và 12 phục hồi vị trí cân bằng của con tr−ợt 11. 3.4.5. Van servo a. Nguyên lý làm việc N Nam châm vĩnh cửu Phần ứng +i1 S ống đàn hồi S Cánh chặn P Miệng phun dầu R Càng đàn hồi N Cuộn dây 1 - +i2 Cuộn dây 2 - Hình 3.18. Sơ đồ nguyên lý của bộ phận điều khiển con tr−ợt của van servo Bộ phận điều khiển con tr−ợt của van servo (torque motor) thể hiện trên hình 3.18 gồm các ở bộ phận sau: +/ Nam châm vĩnh cửu; +/ Phần ứng và hai cuộn dây; 52 +/ Cánh chặn và càng đàn hồi; +/ ống đàn hồi; +/ Miệng phun dầu. Hai nam châm vĩnh cửu đặt đối xứng tạo thành khung hình chữ nhật, phần ứng trên đó có hai cuộn dây và cánh chặn dầu ngàm với phần ứng, tạo nên một kết cấu cứng vững. Định vị phần ứng và cánh chặn dầu là một ống đàn hồi, ống này có tác dụng phục hồi cụm phần ứng và cánh chặn về vị trí trung gian khi dòng điện vào hai cuộn dây cân bằng. Nối với cánh chặn dầu là càng đàn hồi, càng này nối trực tiếp với con tr−ợt. Khi dòng điện vào hai cuộn dây lệch nhau thì phần ứng bị hút lệch, do sự đối xứng của các cực nam châm mà phần ứng sẽ quay. Khi phần ứng quay, ống đàn hồi sẽ biến dạng đàn hồi, khe hở từ cánh chặn đến miệng phun dầu cũng sẽ thay đổi (phía này hở ra và phía kia hẹp lại). Điều đó dẫn đến áp suất ở hai phía của con tr−ợt lệch nhau và con tr−ợt đ−ợc di chuyển. Nh− vậy: +/ Khi dòng điện điều khiển ở hai cuộn dây bằng nhau hoặc bằng 0 thì phần ứng, cánh, càng và con tr−ợt ở vị trí trung gian (áp suất ở hai buồng con tr−ợt cân bằng nhau). +/ Khi dòng i1 ≠ i2 thì phần ứng sẽ quay theo một chiều nào đó tùy thuộc vào dòng điện của cuộn dây nào lớn hơn. Giả sử phần ứng quay ng−ợc chiều kim đồng hồ, cánh chặn dầu cũng quay theo làm tiết diện chảy của miệng phun dầu thay đổi, khe hở miệng phun phía trái rộng ra và khe hở ở miệng phun phía phải hẹp lại. áp suất dầu vào hai buồng con tr−ợt không cân bằng, tạo lực dọc trục, đẩy con tr−ợt di chuyển về bên trái, hình thành tiết diện chảy qua van (tạo đ−ờng dẫn dầu qua van). Quá trình trên thể hiện ở hình 3.19b. Đồng thời khi con tr−ợt sang trái thì càng sẽ cong theo chiều di chuyển của con tr−ợt làm cho cánh chặn dầu cũng di chuyển theo. Lúc này khe hở ở miệng phun trái hẹp lại và khe hở miệng phun phải rộng lên, cho đến khi khe hở của hai miệng phun bằng nhau và áp suất hai phía bằng nhau thì con tr−ợt ở vị trí cân bằng. Quá trình đó thể hiện ở hình 3.19c. Mômen quay phần ứng và mômen do lực đàn hồi của càng cân bằng nhau. L−ợng di chuyển của con tr−ợt tỷ lệ với dòng điện vào cuộn dây. +/ T−ơng tự nh− trên nếu phần ứng quay theo chiều ng−ợc lại thì con tr−ợt sẽ di chuyển theo chiều ng−ợc lại. 53 a T A P b c T A P B T A P B Hình 3.19. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của van servo a. Sơ đồ giai đoạn van ch−a lam việc; b. Sơ đồ giai đoạn đầu của quá trình điều khiển; c. Sơ đồ giai đoạn hai của quá trình điều khiển. b. Kết cấu của van servo Ngoài những kết cấu thể hiện ở hình 3.18 và hình 3.19, trong van còn bố trí thêm bộ lọc dầu nhằm đảm bảo điều kiện làm việc bình th−ờng của van. Để con tr−ợt ở vị trí trung gian khi tín hiệu vào bằng không, tức là để phần ứng ở vị trí cân bằng, ng−ời ta đ−a vào kết cấu vít điều chỉnh. 54 Các hình 3.20, 3.21, 3.22, 3.23, 3.24 là kết cấu của một số loại van servo đ−ợc sử dụng hiện nay. a Nam châm ống phun dầu Càng đàn hồi Vít hiệu chỉnh con tr−ợt Thân van 55 ống phun Lõi nam châm ống đàn hồi Càng Càng đàn hồi Lọc dầu Cuộn dây Lỗ tiết l−u P b P T c Lọc dầu Hình 3.20. Bản vẽ thể hiện kết cấu và ký hiệu của van servo a, b. Bản vẽ thể hiện các dạng kết cấu của van servo; c. Ký hiệu của van servo. Hình 3.21. Kết cấu của van servo một cấp điều khiển 1. Không gian trống; 2. ống phun; 3. Lõi sắt của nam châm; 4. ống đàn hồi; 5. Càng điều khiển điện thủy lực; 6. Vít hiệu chỉnh; 7. Thân của ống phun; 8. Thân của nam châm; 9. Không gian quay của lõi sắt nam châm; 10. Cuộn dây của nam châm; 11. Con tr−ợt của van chính; 12. Buồng dầu của van chính. 56 Hình 3.22. Kết cấu của van servo 2 cấp điều khiển 1. C thủy khiể Hì ụm nam châm; 2. ống phun; 3. Càng đàn hồi của bộ phận điều khiển điện lực; 4. Xylanh của van chính; 5. Con tr−ợt của van chính; 6. Càng điều n điện-thủy lực; 7. Thân của ống phun. nh 3.23. Kết cấu của van servo 2 cấp điều khiển có cảm biến 57 1. Cụm nam châm; 2. ống phun; 3. Xylanh của van chính; 4. Cuộn dây của cảm biến; 5. Lõi sắt từ của cảm biến; 6. Con tr−ợt của van chính; 7. Càng điều khiển điện-thủy lực; 8. ống phun; 9,10. Buồng dầu của van chính. Hình 3.24. Kết cấu của van servo 3 cấp điều khiển có cảm biến 1. Vít hiệu chỉnh; 2. ống phun; 3. Thân van cấp 2; 4. Thân van cấp 3; 5. cuộn đây của cảm biến; 6. Lõi sắt từ của cảm biến; 7. Con tr−ợt của van chính; 8. Càng điều khiển điện-thủy lực; 9. Thân của ống phun; 10,14. Buồng dầu của van cấp 2; 11. Con tr−ợt của van cấp 2; 12. Lò xo của van cấp 2; 13. Xylanh của van cấp 3; 15,16. Buồng dầu của van cấp 3. 3.5. cơ cấu chỉnh l−u l−ợng Cơ cấu chỉnh l−u l−ợng dùng để xác định l−ợng chất lỏng chảy qua nó trong đơn vị thời gian, và nh− thế điều chỉnh đ−ợc vân tốc của cơ cấu chấp hành trong hệ thống thủy lực làm việc với bơm dầu có một l−u l−ợng cố định. 3.5.1. Van tiết l−u Van tiết l−u dùng để điều chỉnh l−u l−ợng dầu, và do đó điều chỉnh vận tốc của cơ cấu chấp hành trong hệ thống thủy lực. 58 Van tiết l−u có thể đặt ở đ−ờng dầu vào hoặc đ−ờng ra của cơ cấu chấp hành. Van tiết l−u có hai loại: +/ Tiết l−u cố định Ký hiệu: +/ Tiết l−u thay đổi đ−ợc l−u l−ợng Ký hiệu: Ví dụ: hình 3.25 là sơ đồ của van tiết l−u đ−ợc lắp ở đ−ờng ra của hệ thống thủy lực. Cách lắp này đ−ợc dùng phổ biến nhất, vì van tiết l−u thay thế cả chức năng của van cản, tạo nên một áp suất nhất định trên đ−ờng ra của xilanh và do đó làm cho chuyển động của nó đ−ợc êm. p1 A1 p2 A2 Q2 Q2, p3 Q1 Ax v Hình 3.25. Sơ đồ thủy lực có lắp van tiết l−u ở đ−ờng dầu ra Ta có các ph−ơng trình: Q2 = A2.v : l−u l−ợng qua van tiết l−u ∆p = p2 - p3 : hiệu áp qua van tiết l−u L−u l−ợng dầu Q2 qua khe hở đ−ợc tính theo công thức Torricelli nh− sau: p. g.2 .A.Q x2 ∆ρà= [m 3/s] (3.3) hoặc A2.v = à.Ax.c. p∆ (c = ρ g.2 = const) ⇒ 2 x A p.c.A. v ∆à= (3.4) Trong đó: à - hệ số l−u l−ợng; 59 Ax - diện tích mặt cắt của khe hở: 4 d. A 2 1 π= [m2]; ∆p = (p2 - p3)- áp suất tr−ớc và sau khe hở [N/m2]; ρ - khối l−ợng riêng của dầu [kg/m3]. Khi Ax thay đổi ⇒ ∆p thay đổi và v thay đổi. ∆p Q2 p3 p2 Hình 3.26. Độ chênh lệch áp suất và l−u l−ợng dòng chảy qua khe hở Dựa vào ph−ơng thức điều chỉnh l−u l−ợng, van tiết l−u có thể phân thành hai loại chính: van tiết l−u điều chỉnh dọc trục và van tiết l−u điều chỉnh quanh trục. a. Van tiết l−u điều chỉnh dọc trục Ax = 2π.rt.AB AB = h.sinα αα−= cos. 2 sin.h rrt απ≈⇒ sin.r.h.2Ax ( αα cos. 2 sin.h 2 : VCB ⇒ bỏ qua) Ax p1 p2 α2α rt B A r h D Ax = π.D.h p2 h p1 Ax Hình 3.27. Tiết l−u điều chỉnh dọc trục b. Van tiết l−u điều chỉnh quanh trục p1 p2 Hình 3.28. Tiết l−u điều chỉnh quanh trục 3.5.2. Bộ ổn tốc Bộ ổn tốc là cấu đảm bảo hiệu áp không đổi khi giảm áp (∆p = const), và do đó đảm bảo một l−u l−ợng không đổi chảy qua van, tức là làm cho vận tốc của cơ cấu chấp hành có giá trị gần nh− không đổi. Nh− vậy để ổn định vận tốc ta sử dụng bộ ổn tốc. 60 Bộ ổn tốc là một van ghép gồm có: một van giảm áp và một van tiết l−u. Bộ ổn tốc có thể lắp trên đ−ờng vào hoặc đ−ờng ra của cơ cấu chấp hành nh− ở van tiết l−u, nh−ng phổ biến nhất là lắp ở đ−ờng ra của cơ cấu chấp hành. Ký hiệu: Hình 3.29. Kết cấu bộ ổn tốc Điều kiện để bộ ổn tốc có thể làm việc là: p1 > p2 > p3 > p4 Ta có ph−ơng trình cân bằng tĩnh: A.p3 = p4.A + Flx ⇒ ∆p = p3 - p4 = A Flx (3.5) Q2 = A F .kp.c.A. lxx =∆à (3.6) Q2 không phụ thuộc vào tải mà chỉ phụ thuộc vào Flx ⇒ v ổn định p2 Q2 A p3 Flx p4 Hình 3.30. Sơ đồ thủy lực có lắp bộ ổn tốc p1 p4 p3 p2 Q2 A Flx p2 p1 61 3.6. van chặn Van chặn gồm các loại van sau: +/ Van một chiều. +/ Van một chiều điều điều khiển đ−ợc h−ớng chặn. +/ Van tác động khoá lẫn. 3.6.1. Van một chiều Van một chiều dùng để điều khiển dòng chất lỏng đi theo một h−ớng, và ở h−ớng kia dầu bị ngăn lại. Trong hệ thống thủy lực, th−ờng đặt ở nhiều vị trí khác nhau tùy thuộc vào những mục đích khác nhau. Ký hiệu: Van một chiều gồm có: van bi, van kiểu con tr−ợt. Hình 3.31. Kết cấu van bi một chiều ứng dụng của van một chiều: +/ Đặt ở đ−ờng ra của bơm (để chặn dầu chảy về bể). +/ Đặt ở cửa hút của bơm (chặn dầu ở trong bơm). +/ Khi sử dụng hai bơm dầu dùng chung cho một hệ thống. 62 Ví dụ: sơ đồ thủy lực sử dụng hai bơm dầu nhằm giảm tiêu hao công suất. FL v1 v2 A2A1 Flx p1 Q1 1 p1 p2 T P Q2 2 A Hình 3.32. Sơ đồ mạch thủy lực sử dụng hai bơm dầu Khi thực hiện vận tốc công tác v1, bơm 1 (Q1) hoạt động: Q1 = A1.v1. Khi thực hiện vận tốc chạy không v2 (pittông lùi về) thì cả hai bơm cùng cung cấp dầu (Q1, Q2): Q1 + Q2 = A2.v2 (Q2 >> Q1). Giải thích nguyên lý: +/ Khi có tải FL và thực hiện v1 ⇒ p1 > p2, van một chiều bị chặn ⇒ 2 1 1 1 QvàA Q v = về bể dầu. (A.p1 > Flx ⇒ pittông đi lên cửa P và T thông nhau ⇒ Q2 về bể dầu). +/ Khi chạy nhanh với v2 (không tải): ↓ ⇒ ⇒ pittông đi xuống mở cửa P, đóng cửa T, lúc này p ∗ 1p A.pF 1lx ∗≥ 2 > p1 ⇒ van một chiều mở ⇒ cung cấp Q2 và Q1 cho xilanh để thực hiện v2. 2 21 2 A QQ v += 63 3.6.2. Van một chiều điều khiển đ−ợc h−ớng chặn a. Nguyên lý hoạt động Khi dầu chảy từ A qua B, van thực hiện theo nguyên lý của van một chiều. Nh−ng khi dầu chảy từ B qua A, thì phải có tín hiệu điều khiển bên ngoài tác động vào cửa X. a b c x a b x a b b a x Hình 3.33. Van một chiều điều khiển đ−ợc h−ớng chặn a. Chiều A qua B, tác dụng nh− van một chiều; b. Chiều B qua A có dòng chảy, khi có tác dụng tín ngoài X; c. Ký hiệu. 3.6.3. Van tác động khoá lẫn a. Nguyên lý hoạt động Kết cấu của van tác động khoá lẫn, thực ra là lắp hai van một chiều điều khiển đ−ợc h−ớng chặn. Khi dòng chảy từ A1 qua B1 hoặc từ A2 qua B2 theo nguyên lý của van một chiều. Nh−ng khi dầu chảy từ B2 về A2 thì phải có tín hiệu điều khiển A1 hoặc khi dầu chảy từ B1 về A1 thì phải có tín hiệu điều khiển A2. Hình 3.34. Van tác động khóa lẩn B B A1 A2 B1 B2 a b A1 A2 B1 B2 c AA a. Dòng chảy từ A1 qua B1 hoặc từ A2 qua B2 (nh− van một chiều); b. Từ B2 về A2 thì phải có tín hiệu điều khiển A1; c. Ký hiệu. 64 3.7. ống dẫn, ống nối Để nối liền các phần tử điều khiển (các loại van) với các cơ cấu chấp hành, với hệ thống biến đổi năng l−ợng (bơm dầu, động cơ dầu), ng−ời ta dùng các ống dẫn, ống nối hoặc các tấm nối. 3.7.1. ống dẫn a. Yêu cầu ống dẫn dùng trong hệ thống điều khiển bằng thủy lực phổ biến là ống dẫn cứng (vật liệu ống bằng đồng hoặc thép) và ống dẫn mềm (vải cao su và ống mềm bằng kim loại có thể làm việc ở nhiệt độ 1350C). ống dẫn cần phải đảm bảo độ bền cơ học và tổn thất áp suất trong ống nhỏ nhất. Để giảm tổn thất áp suất, các ống dẫn càng ngắn càng tốt, ít bị uốn cong để tránh sự biến dạng của tiết diện và sự đổi b. Vận tốc dầu chảy trong ốn +/ ở ống hút: v = 0,5 ữ 1,5 m +/ ở ống nén: p < 50bar thì p = 50 ữ 100b p > 100bar th +/ ở ống xả: v = 0,5 ữ 1,5 m Các đ−ờng ống hút Các đ−ờng ống nén Các đ−ờng ống xả c. Chọn kích th−ớc đ−ờng kín Ta có ph−ơng trình l−u l−ợng Q = A.v Trong đó: Tiết diện: A = 4 d. 2π ⇔ Q = 4 d. 2π .v Trong đó: d [mm]; Q [lít/phút]; v [m/s]. h−ớng chuyển động của dầu. g /s v = 4 ữ 5 m/s ar thì v = 5 ữ 6 m/s ì v = 6 ữ 7 m/s /s Hình 3.35. Sơ đồ mạch thủy lực thể hiện các đ−ờng ống h ống chảy qua ống dẫn: (3.7) (3.8) (3.9) 65 ⇒ v = 2 2 10. 4 .d.6 Q π (3.10) ⇒ Kích th−ớc đ−ờng kính ống dẫn là: d = v..3 Q.2 .10 π [mm] (3.11) 3.7.2. Các loại ống nối a. Yêu cầu Trong hệ thống thủy lực, ống nối có yêu cầu t−ơng đối cao về độ bền và độ kín. Tùy theo điều kiện sử dụng ống nối có thể không tháo đ−ợc và tháo đ−ợc. b. Các loại ống nối Để nối các ống dẫn với nhau hoặc nối ống dẫn với các phần tử thủy lực, ta dùng các loại ống nối đ−ợc thể hiển nh− ở hình 3.36 b a Hình 3.36. Các loại ống nối a. ống nối vặn ren; b. ống nối siết chặt bằng đai ốc. 3.7.3. Vòng chắn a. Nhiệm vụ Chắn dầu đómg vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự làm việc bình th−ờng của các phần tử thủy lực. Chắn dầu không tốt, sẽ bị rò dầu ở các đầu nối, bị hao phí dầu, không đảm bảo áp suất cao dẫn đến hệ thống hoạt động không ổn định. 66 b. Phân loại Để ngăn chặn sự rò dầu, ng−ời ta th−ờng dùng các loại vòng chắn, vật liệu khác nhau, tùy thuộc vào áp suất, nhiệt độ của dầu. Dựa vào bề mặt cần chắn khít, ta phân thành hai loại: +/ Loại chắn khít phần tử cố định. +/ Loại chắn khít phần tử chuyển động. c. Loại chắn khít phần tử cố định Chắn khít những phần tử cố định t−ơng đối đơn giản, dùng các vòng chắn bằng chất dẻo hoặc bằng kim loại mềm (đồng, nhôm). Để tăng độ bền, tuổi thọ của vòng chắn có tính đàn hồi, ta th−ờng sử dụng các cơ cấu bảo vệ chế tạo từ vật liệu cứng hơn (cao su nền vải, vòng kim loại, cao su l−u hóa cùng lõi kim loại). d. Loại chắn khít các phần tử chuyển động t−ơng đối với nhau Loại này đ−ợc dùng rộng rãi nhất, để chắn khít những phần tử chuyển động. Vật liệu chế tạo là cao su chịu dầu, để chắn dầu giữa 2 bề mặt có chuyển động t−ơng đối (giữa pittông và xilanh). Để tăng độ bền, tuổi thọ của vòng chắn có tính đàn hồi, t−ơng tự nh− loại chắn khít những phần tử cố định, th−ờng ta sử dụng các cơ cấu bảo vệ chế tạo từ vật liệu cứng hơn (vòng kim loại). Để chắn khít những chi tiết có chuyển động thẳng (cần pittông, cần đẩy điều khiển con tr−ợt điều khiển với nam châm điện,...), th−ờng dùng vòng chắn có tiết diện chử V, với vật liệu bằng da hoặc bằng cao su. Trong tr−ờng hợp áp suất làm việc của dầu lớn thì bề dày cũng nh− số vòng chắn cần thiết càng lớn. 67